Jak działają lampy rentgenowskie?

2024 Autor: Curtis Blomfield | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-15 09:45

Promieniowanie rentgenowskie powstaje w wyniku konwersji energii elektronów na fotony, co ma miejsce w lampie rentgenowskiej. Ilość (ekspozycja) i jakość (widmo) promieniowania można regulować, zmieniając prąd, napięcie i czas pracy urządzenia.

Zasada działania

Lampy rentgenowskie (zdjęcie w artykule) to konwertery energii. Zabierają je z sieci i zamieniają w inne formy - przenikające promieniowanie i ciepło, które jest niepożądanym produktem ubocznym. Konstrukcja lampy rentgenowskiej jest taka, że maksymalizuje produkcję fotonów i rozprasza ciepło tak szybko, jak to możliwe.

Lampa jest stosunkowo prostym urządzeniem, zwykle zawierającym dwa podstawowe elementy - katodę i anodę. Gdy prąd płynie z katody do anody, elektrony tracą energię, co powoduje generowanie promieni rentgenowskich.

Anoda

Anoda jest komponentem, który emitujefotony o wysokiej energii. Jest to stosunkowo masywny metalowy element, który jest podłączony do dodatniego bieguna obwodu elektrycznego. Wykonuje dwie główne funkcje:

przekształca energię elektronów w promieniowanie rentgenowskie,
rozprasza ciepło.

Materiał anodowy został wybrany w celu wzmocnienia tych funkcji.

W idealnym przypadku większość elektronów powinna tworzyć fotony o wysokiej energii, a nie ciepło. Część ich całkowitej energii, która jest zamieniana na promieniowanie rentgenowskie (wydajność) zależy od dwóch czynników:

liczba atomowa (Z) materiału anodowego,
energia elektronów.

Większość lamp rentgenowskich wykorzystuje wolfram jako materiał anodowy, którego liczba atomowa wynosi 74. Oprócz dużego Z, metal ten ma pewne inne cechy, które sprawiają, że nadaje się do tego celu. Wolfram jest wyjątkowy pod względem zdolności do zachowania wytrzymałości po podgrzaniu, ma wysoką temperaturę topnienia i niską szybkość parowania.

Przez wiele lat anoda była wykonana z czystego wolframu. W ostatnich latach zaczęto stosować stop tego metalu z renem, ale tylko na powierzchni. Sama anoda pod powłoką wolframowo-renową jest wykonana z lekkiego materiału, który dobrze magazynuje ciepło. Dwie takie substancje to molibden i grafit.

Lampy rentgenowskie używane do mammografii są wykonane z anodą pokrytą molibdenem. Materiał ten ma pośrednią liczbę atomową (Z=42), która generuje charakterystyczne fotony o energiach dogodnych dodo robienia zdjęć klatki piersiowej. Niektóre urządzenia mammograficzne mają również drugą anodę wykonaną z rodu (Z=45). Pozwala to zwiększyć energię i osiągnąć większą penetrację dla napiętych piersi.

Zastosowanie stopu renowo-wolframowego poprawia długotrwałą wydajność promieniowania - z biegiem czasu wydajność urządzeń z czystym anodą wolframową spada z powodu termicznego uszkodzenia powierzchni.

Większość anod ma kształt ukośnych dysków i jest przymocowana do wału silnika elektrycznego, który obraca je ze stosunkowo dużą prędkością, jednocześnie emitując promieniowanie rentgenowskie. Celem rotacji jest usuwanie ciepła.

Punkt ogniskowania

Nie cała anoda bierze udział w generowaniu promieni rentgenowskich. Występuje na niewielkim obszarze jego powierzchni - ognisku. Wymiary tych ostatnich są określone przez wymiary wiązki elektronów wychodzącej z katody. W większości urządzeń ma kształt prostokątny i waha się od 0,1 do 2 mm.

Lampy rentgenowskie są zaprojektowane z określoną wielkością ogniska. Im jest mniejszy, tym mniej rozmyty i ostrzejszy obraz, a im większy, tym lepsze rozpraszanie ciepła.

Rozmiar plamki jest jednym z czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze lamp rentgenowskich. Producenci produkują urządzenia z małymi ogniskami, gdy konieczne jest uzyskanie wysokiej rozdzielczości i odpowiednio niskiego promieniowania. Na przykład jest to wymagane podczas badania małych i cienkich części ciała, jak w mammografii.

Lampy rentgenowskie są produkowane głównie z dwoma rozmiarami ogniska, dużą i małą, które operator może wybrać zgodnie z procedurą obrazowania.

Katoda

Główną funkcją katody jest generowanie elektronów i zbieranie ich w wiązkę skierowaną na anodę. Z reguły składa się z małej spirali drucianej (nitki) zanurzonej w zagłębieniu w kształcie miseczki.

Elektrony przechodzące przez obwód zwykle nie mogą opuścić przewodnika i przejść w wolną przestrzeń. Jednak mogą to zrobić, jeśli dostaną wystarczającą ilość energii. W procesie znanym jako emisja cieplna, ciepło jest wykorzystywane do wyrzucania elektronów z katody. Staje się to możliwe, gdy ciśnienie w próżniowej lampie rentgenowskiej osiągnie 10^-6–10^{-7 mmHg. Sztuka. Włókno nagrzewa się w taki sam sposób, jak żarówka żarówki, gdy przepływa przez nią prąd. Działaniu lampy rentgenowskiej towarzyszy nagrzewanie katody do temperatury żarzenia z wyparciem z niej części elektronów energią cieplną.}

Balon

Anoda i katoda znajdują się w hermetycznie zamkniętym pojemniku. Balon i jego zawartość są często określane jako wkładka, która ma ograniczoną żywotność i można ją wymienić. Lampy rentgenowskie mają głównie bańki szklane, chociaż do niektórych zastosowań wykorzystywane są bańki metalowe i ceramiczne.

Główną funkcją balonu jest zapewnienie podparcia i izolacji dla anody i katody oraz utrzymywanie próżni. Ciśnienie w próżniowej lampie rentgenowskiejw 15°C wynosi 1,2 10-3 Pa. Obecność gazów w balonie pozwoliłaby na swobodny przepływ energii elektrycznej przez urządzenie, a nie tylko w postaci wiązki elektronów.

Sprawa

Konstrukcja lampy rentgenowskiej jest taka, że oprócz otaczania i podtrzymywania innych elementów, jej korpus służy jako osłona i pochłania promieniowanie, z wyjątkiem użytecznej wiązki przechodzącej przez okno. Jego stosunkowo duża powierzchnia zewnętrzna odprowadza dużą część ciepła wytwarzanego wewnątrz urządzenia. Przestrzeń między korpusem a wkładem wypełniona jest olejem do izolacji i chłodzenia.

Łańcuch

Obwód elektryczny łączy rurę ze źródłem energii zwanym generatorem. Źródło pobiera energię z sieci i przekształca prąd przemienny w prąd stały. Generator umożliwia również dostosowanie niektórych parametrów obwodu:

KV - napięcie lub potencjał elektryczny;
MA to prąd płynący przez rurkę;
S – czas trwania lub czas ekspozycji, w ułamkach sekundy.

Obwód zapewnia ruch elektronów. Są ładowane energią, przechodzącą przez generator i oddają ją na anodę. Gdy się poruszają, następują dwie przemiany:

potencjalna energia elektryczna jest przekształcana w energię kinetyczną;
kinetyczna z kolei jest przekształcana w promieniowanie rentgenowskie i ciepło.

Potencjał

Kiedy elektrony wchodzą do żarówki, mają potencjalną energię elektryczną, której ilość jest określona przez napięcie KV między anodą a katodą. Praca lampy rentgenowskiejpod napięciem, aby wytworzyć 1 KV, z którego każda cząsteczka musi mieć 1 keV. Regulując KV, operator nadaje każdemu elektronowi określoną ilość energii.

Kinetyka

Niskie ciśnienie w próżniowej lampie rentgenowskiej (w temperaturze 15°C wynosi 10^-6–10^{-7 mmHg.) pozwala cząstkom wylatywać z katody do anody pod działaniem emisji termoelektrycznej i siły elektrycznej. Siła ta przyspiesza je, co prowadzi do wzrostu prędkości i energii kinetycznej oraz spadku potencjału. Kiedy cząstka uderza w anodę, jej potencjał jest tracony, a cała jej energia jest zamieniana na energię kinetyczną. Elektron o energii 100 keV osiąga prędkości przekraczające połowę prędkości światła. Uderzając w powierzchnię cząsteczki bardzo szybko zwalniają i tracą energię kinetyczną. Zamienia się w promieniowanie rentgenowskie lub ciepło.}

Elektrony stykają się z pojedynczymi atomami materiału anodowego. Promieniowanie jest generowane, gdy oddziałują one z orbitalami (fotony rentgenowskie) oraz z jądrem (bremsstrahlung).

Połącz energię

Każdy elektron wewnątrz atomu ma określoną energię wiązania, która zależy od wielkości tego ostatniego i poziomu, na którym znajduje się cząsteczka. Energia wiązania odgrywa ważną rolę w generowaniu charakterystycznych promieni rentgenowskich i jest niezbędna do usunięcia elektronu z atomu.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung wytwarza największą liczbę fotonów. Elektrony penetrujące materiał anodowy i przechodzące w pobliżu jądra są odchylane i spowalnianesiła przyciągania atomu. Ich energia utracona podczas tego spotkania pojawia się jako foton rentgenowski.

Widmo

Tylko kilka fotonów ma energię zbliżoną do energii elektronów. Większość z nich jest niższa. Załóżmy, że wokół jądra znajduje się przestrzeń lub pole, w którym elektrony doświadczają siły „hamującej”. To pole można podzielić na strefy. Nadaje to polu jądra wygląd tarczy z atomem w środku. Elektron uderzający w dowolny punkt tarczy ulega spowolnieniu i generuje foton rentgenowski. Cząstki uderzające najbliżej centrum są najbardziej dotknięte i dlatego tracą najwięcej energii, wytwarzając fotony o najwyższej energii. Elektrony wchodzące do stref zewnętrznych doświadczają słabszych oddziaływań i generują mniejsze kwanty energii. Chociaż strefy mają tę samą szerokość, mają różny obszar w zależności od odległości od rdzenia. Ponieważ liczba cząstek spadających na daną strefę zależy od jej całkowitej powierzchni, oczywiste jest, że strefy zewnętrzne wychwytują więcej elektronów i wytwarzają więcej fotonów. Model ten można wykorzystać do przewidywania widma energetycznego promieniowania rentgenowskiego.

E_max fotony głównego widma Bremsstrahlung odpowiadają E_{max elektronom. Poniżej tego punktu, gdy energia fotonów maleje, ich liczba wzrasta.}

Znaczna liczba fotonów o niskiej energii jest absorbowana lub filtrowana, gdy próbują przejść przez powierzchnię anody, okienko lampy lub filtr. Filtracja jest generalnie zależna od składu i grubości materiału, przez którywiązka przechodzi, co określa ostateczną postać krzywej niskoenergetycznej widma.

Wpływ KV

Wysokoenergetyczna część widma jest określana przez napięcie w lampach rentgenowskich kV (kilowolt). Dzieje się tak, ponieważ określa energię elektronów docierających do anody, a fotony nie mogą mieć większego potencjału niż ten. Z jakim napięciem pracuje lampa rentgenowska? Maksymalna energia fotonu odpowiada maksymalnemu przyłożonemu potencjałowi. To napięcie może ulec zmianie podczas ekspozycji ze względu na prąd sieciowy AC. W tym przypadku E_max fotonu jest określone przez szczytowe napięcie okresu oscylacji KV_p.

Oprócz potencjału kwantowego, KV_p określa ilość promieniowania wytworzonego przez określoną liczbę elektronów uderzających w anodę. Ponieważ ogólna wydajność bremsstrahlung wzrasta ze względu na wzrost energii bombardujących elektronów, która jest określona przez KV_p, wynika z tego, że KV_{pwpływa na wydajność urządzenia.}

Zmiana KV_{p zwykle zmienia widmo. Całkowity obszar pod krzywą energii to liczba fotonów. Bez filtra widmo ma kształt trójkąta, a ilość promieniowania jest proporcjonalna do kwadratu KV. W obecności filtra wzrost KV zwiększa również penetrację fotonów, co zmniejsza procent przefiltrowanego promieniowania. Prowadzi to do wzrostu mocy promieniowania.}

Promieniowanie charakterystyczne

Rodzaj interakcji, która wytwarza cechępromieniowanie, obejmuje zderzenie szybkich elektronów z elektronami orbitalnymi. Interakcja może wystąpić tylko wtedy, gdy nadchodząca cząstka ma E_k większą niż energia wiązania w atomie. Gdy ten warunek zostanie spełniony i nastąpi kolizja, elektron zostaje wyrzucony. W tym przypadku pozostaje wakat, który wypełnia cząstka o wyższym poziomie energetycznym. Gdy elektron się porusza, oddaje energię, która jest emitowana w postaci kwantu promieniowania rentgenowskiego. Nazywa się to promieniowaniem charakterystycznym, ponieważ E fotonu jest charakterystyczne dla pierwiastka chemicznego, z którego wykonana jest anoda. Na przykład, gdy wybijany jest elektron z poziomu K wolframu o E_bond=69,5 keV, wakat jest wypełniany przez elektron z poziomu L o E _{wiązanie=10, 2 keV. Charakterystyczny foton rentgenowski ma energię równą różnicy między tymi dwoma poziomami, czyli 59,3 keV.}

W rzeczywistości ten materiał anodowy daje szereg charakterystycznych energii promieniowania rentgenowskiego. Dzieje się tak dlatego, że elektrony na różnych poziomach energii (K, L, itp.) mogą zostać wybite przez bombardowanie cząstek, a wolne miejsca można wypełnić z różnych poziomów energii. Chociaż wypełnianie wakatów na poziomie L generuje fotony, ich energie są zbyt niskie, aby można je było wykorzystać w obrazowaniu diagnostycznym. Każdej charakterystycznej energii nadano oznaczenie, które wskazuje orbitę, w której powstała wakat, ze wskaźnikiem wskazującym źródło wypełnienia elektronami. Indeks alfa (α) wskazuje zajęcie elektronu z poziomu L, a beta (β) wskazujenapełnianie z poziomu M lub N.

Widmo wolframu. Charakterystyczne promieniowanie tego metalu wytwarza widmo liniowe składające się z kilku dyskretnych energii, podczas gdy bremsstrahlung tworzy ciągły rozkład. Liczba fotonów wytwarzanych przez każdą charakterystyczną energię różni się tym, że prawdopodobieństwo wypełnienia wakatu na poziomie K zależy od orbity.

Widmo molibdenu. Anody tego metalu stosowane w mammografii wytwarzają dwie dość intensywne charakterystyczne energie promieniowania rentgenowskiego: K-alfa przy 17,9 keV i K-beta przy 19,5 keV. Optymalne widmo lamp rentgenowskich, które pozwala osiągnąć najlepszą równowagę między kontrastem a dawką promieniowania dla piersi średniej wielkości, jest osiągane przy E_{ph=20 keV. Jednak bremsstrahlung jest wytwarzany przy wysokich energiach. Sprzęt do mammografii wykorzystuje filtr molibdenowy do usuwania niepożądanej części widma. Filtr działa na zasadzie „krawędzi K”. Pochłania promieniowanie przekraczające energię wiązania elektronów na poziomie K atomu molibdenu.}
Widmo rodu. Rod ma liczbę atomową 45, a molibden 42. W związku z tym charakterystyczna emisja promieniowania rentgenowskiego anody rodowej będzie miała nieco wyższą energię niż molibden i jest bardziej przenikliwa. Służy do obrazowania gęstych piersi.

Anody molibdenowo-rodowe o podwójnej powierzchni pozwalają operatorowi wybrać rozkład zoptymalizowany pod kątem różnych rozmiarów i gęstości piersi.

Wpływ KV na widmo

Wartość KV ma duży wpływ na promieniowanie charakterystyczne, ponieważ nie zostanie wytworzone, jeśli KV jest mniejsze niż energia elektronów na poziomie K. Gdy KV przekracza ten próg, ilość promieniowania jest ogólnie proporcjonalna do różnicy między KV lampy a progiem KV.

Widmo energii fotonów promieniowania rentgenowskiego wychodzących z instrumentu jest określone przez kilka czynników. Z reguły składa się z bremsstrahlung i charakterystycznych kwantów interakcji.

Względny skład widma zależy od materiału anody, KV i filtra. W rurze z anodą wolframową przy KV< 69,5 keV nie jest wytwarzane promieniowanie charakterystyczne. Przy wyższych wartościach CV stosowanych w badaniach diagnostycznych promieniowanie charakterystyczne zwiększa promieniowanie całkowite nawet o 25%. W urządzeniach molibdenowych może stanowić dużą część całej generacji.

Wydajność

Tylko niewielka część energii dostarczanej przez elektrony jest przekształcana w promieniowanie. Główna część jest pochłaniana i zamieniana na ciepło. Sprawność promieniowania jest definiowana jako proporcja całkowitej energii promieniowania z całkowitej energii elektrycznej przekazanej do anody. Czynnikami determinującymi sprawność lampy rentgenowskiej są przyłożone napięcie KV i liczba atomowa Z. Przykładowa zależność jest następująca:

Wydajność=KV x Z x 10-6.

Zależność między wydajnością a KV ma szczególny wpływ na praktyczne wykorzystanie sprzętu rentgenowskiego. Ze względu na wydzielanie ciepła, lampy mają pewien limit ilości energii elektrycznejenergię, którą mogą rozproszyć. Nakłada to ograniczenie na moc urządzenia. Jednak wraz ze wzrostem KV ilość promieniowania wytwarzanego na jednostkę ciepła znacznie wzrasta.

Zależność wydajności generowania promieniowania rentgenowskiego od składu anody ma jedynie znaczenie akademickie, ponieważ większość urządzeń wykorzystuje wolfram. Wyjątkiem są molibden i rod stosowane w mammografii. Wydajność tych urządzeń jest znacznie niższa niż wolframu ze względu na ich niższą liczbę atomową.

ciśnienie w próżniowej lampie rentgenowskiej

Wydajność

Sprawność lampy rentgenowskiej jest definiowana jako wielkość ekspozycji, w milientgenach, dostarczona do punktu w środku użytecznej wiązki w odległości 1 m od ogniska na każdy 1 mAs elektrony przechodzące przez urządzenie. Jego wartość wyraża zdolność urządzenia do przekształcania energii naładowanych cząstek na promieniowanie rentgenowskie. Umożliwia określenie ekspozycji pacjenta i obrazu. Podobnie jak wydajność, wydajność urządzenia zależy od wielu czynników, w tym KV, kształtu fali napięcia, materiału anody i uszkodzenia powierzchni, filtra i czasu użytkowania.

Kontrola KV

KV skutecznie kontroluje moc lampy rentgenowskiej. Ogólnie przyjmuje się, że moc wyjściowa jest proporcjonalna do kwadratu KV. Podwojenie KV zwiększa ekspozycję o 4x.

Przebieg

Waveform opisuje sposób, w jaki KV zmienia się w czasie podczas generowaniapromieniowanie ze względu na cykliczny charakter zasilania. Wykorzystywanych jest kilka różnych przebiegów. Ogólna zasada jest taka, że im mniej zmienia się kształt KV, tym efektywniej wytwarzane są promienie rentgenowskie. Nowoczesny sprzęt wykorzystuje generatory o stosunkowo stałym KV.

Lampy rentgenowskie: producenci

Oxford Instruments produkuje różnorodne urządzenia, w tym urządzenia szklane do 250 W, potencjał 4-80 kV, ognisko do 10 mikronów oraz szeroką gamę materiałów anodowych, w tym Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.

Varian oferuje ponad 400 różnych typów medycznych i przemysłowych lamp rentgenowskich. Inni znani producenci to Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong itp.

Lampy rentgenowskie „Svetlana-Rentgen” są produkowane w Rosji. Oprócz tradycyjnych urządzeń z anodą obrotową i stacjonarną, firma produkuje urządzenia z zimną katodą sterowaną strumieniem światła. Zalety urządzenia są następujące: